毫米波輻射計(jì)的波形模擬與目標(biāo)識(shí)別
摘要在毫米波輻射計(jì)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了輻射計(jì)探測疊屬目標(biāo)精出信號的模型．根據(jù) 波形特點(diǎn)提出一種目標(biāo)識(shí)別方案，給出仿真結(jié)果，并討論了識(shí)別方案的計(jì)算量問題． 關(guān)鍵詞毫米波輻射計(jì)，袁觀溫度．目標(biāo)識(shí)別 i1妻私摸擬

引言 隨著無源探測技術(shù)的發(fā)展，毫米波被動(dòng)式探測技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景．本文在分析被 動(dòng)式毫米波探測器工作原理的基礎(chǔ)上，建立了毫米波輻射計(jì)天線溫度的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步 把目標(biāo)特性模型推廣到接收機(jī)輸出端口．根據(jù)輻射計(jì)波形的特點(diǎn)，提出一種被動(dòng)式目標(biāo)識(shí)別 方案，利用目標(biāo)特性模型進(jìn)行了目標(biāo)識(shí)別的仿真；還討論了這一識(shí)別方案的實(shí)時(shí)性問題，為 進(jìn)一步的工作提供了依據(jù)．

1 毫米波輻射計(jì)的建模
1．1 毫米波輻射計(jì)工作原理. 毫米波輻射計(jì)是一種高靈敏度無線電接收系統(tǒng)，它利用物體在毫米波段哪輻射特rl生 異來探測目標(biāo)．物體的表觀溫度 ( ， 與實(shí)際溫度丁的關(guān)系為 T ( ， 一E( ， ， (1) 式(1)中， 為入射角， 為方位角，E( ， 為物質(zhì)在( ， 方向的發(fā)射率．由于e不同，同一環(huán) 境下物理溫度相同的不同物質(zhì)表觀溫度可能相差很大．金屬目標(biāo)的毫米波發(fā)射率近似為零， 地面發(fā)射率則很高，為0．935左右．因此．放在地面上的金屬無論實(shí)際溫度多高，其表觀溫度 總近似為0(僅反射天頂溫度)，與地面有較高的溫度對比度．故被動(dòng)式毫米波探測器能探測 及識(shí)別地面金屬目標(biāo)． 不計(jì)電磁輻射穿過大氣時(shí)的衰減效應(yīng)，同時(shí)假設(shè)輻射特性變化緩慢，方位角的變化不影 響測量，接收機(jī)接收地面輻射時(shí)，天線附近的輻射溫度可表示為 Tae( ，△，)一 ( ) + E ( )丁 + ( )了 + ( )了 ( )t (2) 式(2)中．Af為接收機(jī)帶寬； 為地面反射系數(shù)； 、 分別為地面和大氣的發(fā)射率；丁 、丁 分 別為地面和大氣的物理溫度；丁 為天空的輻射溫度．當(dāng)天線波束掃描到金屬目標(biāo)時(shí)，輻射計(jì) 紅外與毫米波學(xué)報(bào) 天線附近溫度為 丁一 + ( )， (3) 式(3)中，尸r為金屬日標(biāo)的反射系數(shù)．由式(3)和(4)得到地面和金屬目標(biāo)的對比度為 rT = T Bl �！� — T 口 = P|( ) + ￡，(口)丁；+ ￡ ( )T + P|( )丁 ( )一PrT，一PrT ￡ ( )． (4) 一般金屬目標(biāo)和地面之間有較高的溫度對比度，檢測△7 就能探測及識(shí)別地面金屬目 標(biāo)．
1．2 輻射計(jì)輸出信號的數(shù)學(xué)模型 設(shè)接收機(jī)天線功率方向圖為G( ， ，物體 的輻射溫度為丁( ， ，則天線溫度可表示為 = J丁( m(口， 曲， (5) 抽 式(5)中，丁( ， 采用式(4)的模型．G( ， 則 可近似為 G( ， = G 一 · (6) 式(6)中 為天線波束中心的功率增益}b為 波形系數(shù)f 為掃描點(diǎn)與波束中心夾角．輻射計(jì) 與目標(biāo)交會(huì)情況如圖1所示．圖1中天線距一 圖1 輻射計(jì)與目標(biāo)交會(huì)情況 面的高度為H，波束對稱軸與z軸夾角為8 ，目標(biāo)面積為(z。一z。)×( 。一 )，目標(biāo)中心的 方位角為a，目標(biāo)中心0’與原點(diǎn)0的距離為r．依據(jù)物體的電磁輻射機(jī)理，利用式(4)和(5)， 可推出(推導(dǎo)過程從略)計(jì)算輻射計(jì)天線溫度的數(shù)學(xué)模型[ z 為 一 ex {一 [arcc。s 瀚。) + +日z)} ， (7) 式(7)中，△7 一7 一丁—代表目標(biāo)與背景之間的溫度對比度，aT．=T．-T．代表天線溫度變 化量． 在交漉式全功率輻射計(jì)中，天線波束在溫度對比度為△7 的“熱”背景(如地面)和冷目 標(biāo)之間掃描，得到天線溫度變化量△ 的信息}經(jīng)天線接收進(jìn)來之后，經(jīng)過混頻、中放，再經(jīng) 過平方律檢波、視放，將功率轉(zhuǎn)化為電壓的形式．根據(jù)式(7)，輻射計(jì)的輸出信號(電壓)可表 示為 re(t)=f’(△7 ， )= f(ATr，而一 I， 一 1，H ，a，r，f， )， (8) 式(8)中， 為與接收機(jī)處理電路有關(guān)的參數(shù)(其中包括平方律檢波器功率靈敏度常數(shù)、放大 器增益、系統(tǒng)帶寬以及機(jī)內(nèi)噪聲影響等)． 從式(8)可見：輻射計(jì)輸出信號中包含著目標(biāo)的所有信息，即輻射特性(△7 )和幾何尺 寸以及交會(huì)的距離 方位、掃描情況等信息．目標(biāo)識(shí)別的任務(wù)就是通過對輸出信息進(jìn)行分析 來分辨真假目標(biāo)及確定目標(biāo)中心部位．
1．3 輻射計(jì)輸出信號的仿真 仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定輻射計(jì)參數(shù)為：天線增益G。一26dB；天線3dB波束寬度‰ =4。；輻射 計(jì)下落方向與地面法線夾角 一30。；恒定轉(zhuǎn)速為 一4rps{恒定降落速度為lOm／s．同時(shí)假 設(shè)目標(biāo)與背景有確定的溫度對比度△71T．采樣聞齲為0．1875ms．利用式(8)可求出任意交會(huì) 情況下的仿真輸出渡形．圖2給出方位角a=0。，偏移量 =m時(shí)，對3×6m 長方形目標(biāo)進(jìn) 行掃描獲得的30～130m、每隔10m的輻射計(jì)輸出波形．圖3所示為H=40m， 一0。、45。、 90。，d一0，0．5m時(shí)掃描3×4m 、3×6m 、4x6m 目標(biāo)得到的每組6個(gè)波形． 圖2 3×6m 目標(biāo)不同高度下的波形 圖3 相同高度下不同尺寸的目標(biāo)波形 由圖(2)和(3)中波形可見：(1)當(dāng)天線波束在地面投影面積與目標(biāo)面積相近的情況 下，輻射計(jì)的輸出信號為鐘形脈沖，峰值點(diǎn)對應(yīng)著與掃描方向垂直的目標(biāo)中線，且具有近似 對稱性(因目標(biāo)面積的對稱性而異)，(2)隨著高度的降低．峰值變高(輸出信號變強(qiáng))，脈沖 變寬，斜率變大}(3)輸出波形的峰值及脈寬同時(shí)受到掃描方向角及偏移量的影響，(4)輻 射計(jì)輸出信號的強(qiáng)弱受到日標(biāo)尺寸的影響}尺寸越大，信號越強(qiáng)． 為比較仿真信號與實(shí)際信號，本實(shí)驗(yàn)室利用具有上述工作參數(shù)的8ram輻射計(jì)對不同 面積的仿真目標(biāo)進(jìn)行高塔實(shí)驗(yàn)，并利用HY一60g0系列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采出信號．圖4給出了 口=0。時(shí)測量高度分剮為60m、90m及120m下對3×4m 和3×6m 目標(biāo)實(shí)際測得的波形． 從最小相對誤差能量的角度出發(fā)，引入相關(guān)參數(shù) ． ． = 『x(t)y(t)dt／[J ， (t)dtJ『 (f)dt]} (9) 來表示信號z(t)和 (￡)的相似度．利用式(9)，求各自目標(biāo)30m~lOOm每一高度下l5組， 共8X15組仿真波形與相應(yīng)實(shí)測波形的平均相似度，計(jì)算結(jié)果為92．63 ． 在實(shí)際測試中，輻射計(jì)輸出信號受諸多因素的影響，如大氣干擾、地面雜波、輻射計(jì)本身 振動(dòng)和抖動(dòng)、電路噪聲及目標(biāo)輻射特性的不均勻性、形狀不規(guī)則性等，因此輸出信號包含許 多雜波．在波形仿真中．我們根據(jù)環(huán)境采用不同的雜波模型進(jìn)行雜波仿真，疊加在理想信號 上．對輸出信號分析之前，首先采用平滑濾波器進(jìn)行預(yù)處理；同時(shí)，雜波中的目標(biāo)檢測可采用 恒虛警處理，常見的方法有滑窗式檢測和雜波圖CFAR．滑窗式檢測利用臨近單元的雜波樣 本對雜波強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)以形成檢測門限，實(shí)現(xiàn)簡單，并能滿足實(shí)時(shí)性要求． 圖4 仿真目標(biāo)的實(shí)測波形 Fig-4 The test waveform of simulated targets (a)3×6m target (b)3×4m target

2 被動(dòng)式探測系統(tǒng)目標(biāo)的識(shí)別 主動(dòng)體制探測系統(tǒng)可以發(fā)射各種調(diào)制信號，從而能夠獲得大量關(guān)于目標(biāo)距離、方位、速 度甚至形狀的信息，而被動(dòng)式的目標(biāo)識(shí)別只能立足于輻射計(jì)的一維輸出信號．
2．1 特征提取 基于一維波形的常用特征有FOBW 特征、波形特征及頻譜特征等．從目標(biāo)仿真實(shí)驗(yàn)得 出結(jié)論：目標(biāo)的尺寸、探測系統(tǒng)與目標(biāo)的交會(huì)情況等信息，反映在回波信號的能量、峰值、脈 沖寬度、最大最小升降斜率以及波形的對稱性等各個(gè)方面．因此可根據(jù)具體情況選擇時(shí)域回 波參量中合適的特征作為模板，經(jīng)過對不同目標(biāo)和各種交會(huì)條件下的大量計(jì)算、分析，本文 選取輸出信號波形的寬度、峰值和反映目標(biāo)輻射能量的波型面積、作為特征，建立不同高度 下真目標(biāo)及兩類與真目標(biāo)相近的假目標(biāo)的模板庫，利用模式識(shí)別方法將真假目標(biāo)分開． 為建立某一高度下的目標(biāo)模板，對交會(huì)參數(shù)設(shè)置如下：方位角取O。，30 ．45 ，60。，90。等 5個(gè)角度，基本代表0~360。范圍內(nèi)的不同方位角情況：偏移量取0，0．25，0．5m，保證了接 收信號是掃描過物體中心時(shí)得到的．這樣，在一個(gè)高度下產(chǎn)生3×5共15個(gè)波形，基本上能 覆蓋該高度下的所有數(shù)據(jù)空間，求出15組波形特征，并統(tǒng)計(jì)均值和方差，分別作為模板及用 于求模板各特征量的隸屬函數(shù)．表1給出真假3種目標(biāo)在四個(gè)高度下的模板． 從表1中可以看出，同一高度下特征矢量的值隨目標(biāo)尺寸的增大而增大，不同大小的目 標(biāo)特征有明顯而穩(wěn)定的差異．同一目標(biāo)在不同高度下的特征量隨高度的降低而增大．因此利 用對應(yīng)高度下的模板可識(shí)別大小不同的目標(biāo)．
2．2 且標(biāo)識(shí)別 在毫米波輻射計(jì)目標(biāo)識(shí)別中，既要考慮識(shí)別方法的抗噪性、有效性．又要盡量減少計(jì)算 量，滿足實(shí)時(shí)性要求．本文提出一種基于模糊識(shí)別與統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的方法． 本文引入模糊方法的依據(jù)是；在一定高度下目標(biāo)特征受方位角、偏移量等影響具有一定 的模糊度，利用模糊函數(shù)能表示出目標(biāo)模式的軟邊界，較幾何邊界更可靠．這里基于統(tǒng)計(jì)意 義，假定所用特征均為單一參數(shù)特征量，關(guān)于目標(biāo)類別的隸屬度函數(shù)符合正態(tài)分布。 表1 三種目I辱i在不同高度下的橫板 Table 1M odels oftllreetat*gets at different~ lght 目標(biāo)／ 高度／m 能量／mY．啪 峰值／mY 脈竟／ms a0 1．1078士0．2056 0．0996士0．0026 11．025士2 5276 60 0．3824士n 0258 0．0518士0．0022 6．7312士0 5926 90 0．1864士0．0200 n 0284士0．0012 5．7562士0．4716 l20 0．1068士0．0150 0．0177士0．0017 5．0875士0．7982 30 0．8684士0．0575 0．0蜘2士0．0023 9．0625士0．7944 60 0 2717士0．0218 0．040l士0．0018 6．1031士0．3520 90 0．1248士0．0135 0．02U 士0．0014 5．1375士0．5522 12O 0．0742士0．0187 0．0131士0．0014 4．1750士n 9176 30 1．3900士0．1617 0．1110士0．0016 l2．6250士1．8174 60 0．4989士0．0301 0．0645士0．∞ 19 7．1625士O．5726 90 0．2467士0 0197 0．0368士0．oo16 6．13l2士0．3994 l20 0．1520士n 0159 0 0235士O．0017 5．5500士0．6640 =exp[一(墨一ao) ／4b,j]， (1O) 式(1 o)中alj，bq分別為第 類目標(biāo)若干樣本的第i個(gè)特征的均值及方差， 為待識(shí)別特征向 量的第i個(gè)分量．先利用式(9)求出Xj~相對于 類模式的隸屬度凡，然后對厶加權(quán)平均： c = 耋 凡， (11) . 將 作為x對于J類模式的隸屬度． 為權(quán)值．分類的判別規(guī)則根據(jù)統(tǒng)計(jì)意義確定： Cx=maxCf，且有c ≥ l，c ^< 如} (12) . 則X判為 類，否則拒識(shí)． ，以為兩個(gè)決策門限．可根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度、設(shè)計(jì)工作情況和精 度要求確定． 在目標(biāo)識(shí)別方案中，將3×6m。的金屬物體枧為真目標(biāo)，為作對比，設(shè)置3×4m 、4×6m2 兩種假目標(biāo)I利用前面所述方法對三種目標(biāo)在30≤h≤130m之間預(yù)先建立每隔10m的特 征模板．對未知目標(biāo)回波識(shí)別時(shí)，先求波形特征．然后求出該特征對應(yīng)于相應(yīng)高度下三類模 板的隸屬度．利用式(11)的判別規(guī)則進(jìn)行分類，給出三類模板的隸屬度與分類結(jié)果．表2為 30m~130m高度下，對2O組3×6m 目標(biāo)波形的識(shí)別結(jié)果． 由表2識(shí)別結(jié)果可看出．輻射計(jì)對3×6m。目標(biāo)的最佳識(shí)別距離為50~90m．輻射計(jì)距 離目標(biāo)較近時(shí)，方位角和偏移量的變化使目標(biāo)特征量不穩(wěn)定，影響了真實(shí)目標(biāo)特征與目標(biāo)模 板的匹配}在較高的高度下，輻射計(jì)接收到的信號較弱，使輻射計(jì)目標(biāo)識(shí)別率隨高度增大面 降低．表2中30m以下和120m以上識(shí)別率下降很快，除特征不穩(wěn)定原因外，還跟門限選取 有關(guān)．實(shí)際應(yīng)用中，可適當(dāng)調(diào)整門限8 和8 ，以獲得最佳識(shí)別效果． 寰2 不同■ 度下的識(shí)剮率 T-hie 2R~ tion rate-t ddl’Cermt hd|ht 高度／m 30 40 50 60 70 80 9O 100 11o 120 130 識(shí)別率／( ) 25 60 75 B5 8O 80 8O 65 55 25 0
2．3 計(jì)算量的分析 在工程實(shí)現(xiàn)中，特征的提取采用模擬及高速數(shù)字電路，可近似及時(shí)地得到三個(gè)特征量． 在隸屬度計(jì)算中，待識(shí)別特征矢量對三個(gè)模板的隸屬度計(jì)算共需l2次加法、21次乘法、9次 指數(shù)運(yùn)算．若利用工作頻率為12MHz的單片機(jī)8098／96系列實(shí)現(xiàn)3字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算，精度< 1／65536(：4]，整個(gè)隸屬計(jì)算及判別共用時(shí)間不超過4ms．如果指數(shù)運(yùn)算根據(jù)計(jì)算范圍和精度 預(yù)先建表，然后通過查表方式獲得．則時(shí)間不超過2ms．因此，整個(gè)特征提取和目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng) 工作時(shí)間<5ms． 本文討論了毫米波輻射計(jì)探測金屬日標(biāo)時(shí)的波形建模及目標(biāo)識(shí)別等問題．基于毫米渡 輻射計(jì)的工作原理，給出了彈載模式下關(guān)于目標(biāo)輻射特性(LtTr)、尺寸以及交會(huì)情況的輸出 波形模型．在背景溫度確知的條件下對不同尺寸的目標(biāo)進(jìn)行仿真，通過仿真波形和時(shí)涮波形 的對比論證了模型的準(zhǔn)確性與實(shí)用性．根據(jù)仿真波形的變化規(guī)律設(shè)計(jì)了滿足實(shí)時(shí)性要求的 目標(biāo)識(shí)別方案，識(shí)別結(jié)果說明輻射計(jì)的最佳作用距離為50~90m．這些結(jié)論為進(jìn)一步研究彈 載輻射計(jì)在復(fù)雜環(huán)境下形狀對不規(guī)則目標(biāo)的識(shí)別提供了依據(jù)．